在沒有 MCU 的情況下實(shí)現(xiàn)兩軸機(jī)械臂控制器

機(jī)械臂廣泛用于機(jī)器人應(yīng)用中。它們可以做出類似于人手的動作。機(jī)器人手臂可以是一個獨(dú)立的應(yīng)用程序，也可以是更大機(jī)器人系統(tǒng)的一部分。機(jī)械臂在工業(yè)中主要用于取放應(yīng)用。它們也存在于移動安全攝像頭和玩具中。

機(jī)械臂通常由幾個連桿組成，這些連桿通過可以旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)連接起來。在這個項(xiàng)目中，我們將構(gòu)建一個包含兩個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的機(jī)械臂，一個用于 x 軸，另一個用于 y 軸。這些將由來自操縱桿的模擬信號控制。該電路將采用GreenPAK SLG46620 芯片、兩個 Tower Pro SG90 伺服電機(jī)和一個模擬操縱桿設(shè)計（圖 1 和圖 2）。

點(diǎn)擊查看完整大小的圖片

圖 1. 系統(tǒng)框圖。（來源：瑞薩電子）

點(diǎn)擊查看完整大小的圖片

圖 2. 電路原理圖。（來源：瑞薩電子）

該項(xiàng)目不需要微控制器，因?yàn)?GreenPAK 芯片包含構(gòu)建能夠獨(dú)立控制伺服電機(jī)的靜態(tài) IC 所需的所有元素。

工作原理

GreenPAK 芯片將執(zhí)行系統(tǒng)的所有功能。它從操縱桿的 x 輸出接收模擬信號，該信號在內(nèi)部被數(shù)字化并用作伺服電機(jī)的 PWM 信號。然后將輸入通道更改為從操縱桿的 y 輸出讀取，并重復(fù)該過程。模擬信號將每 10 ms 讀取一次，在 x 和 y 輸出之間交替。因此，每個信號每 20 ms 讀取一次，因此輸出頻率為 50 Hz。這適用于伺服電機(jī)的操作。

伺服電機(jī)

兩個 Tower Pro SG90 伺服電機(jī)（圖 3）將用于構(gòu)建機(jī)器人手臂。電機(jī)需要一個 PWM 信號來控制其旋轉(zhuǎn)角度，從 0° 到 180° 不等。當(dāng)引入 0.5 ms 脈沖寬度時，電機(jī)旋轉(zhuǎn)到 0°。當(dāng)脈沖寬度等于 2.5 ms 時，電機(jī)旋轉(zhuǎn) 180°。因此，脈沖寬度必須在每 20 ms 0.5 – 2.5 ms 之間，以獲得 0° 和 180° 之間的角度。

圖 3. Tower Pro SG90 伺服電機(jī)。（來源：瑞薩電子）

模擬操縱桿

模擬操縱桿因其價格低廉且易于連接而廣泛用于機(jī)器人應(yīng)用。操縱桿由兩個交叉放置的電位器組成（圖 4）。它提供三個輸出：x、y 和中間的按鈕。我們應(yīng)用程序中的操縱桿將提供伺服系統(tǒng)的手動控制。

為了獲得適合 GreenPAK ADC 規(guī)格的范圍，操縱桿將使用芯片的 VREF，而不是連接外部分壓器。這將減少外部零件的數(shù)量。

圖 4. 模擬操縱桿模塊。（來源：瑞薩電子）

GreenPAK 設(shè)計

GreenPAK 設(shè)計是在免費(fèi)的基于 GUI 的GreenPAK Designer 軟件中創(chuàng)建的，它是 Go Configure? 軟件中心的一部分（鏈接到設(shè)計文件）。該設(shè)計由幾個部分組成（圖 5）。

點(diǎn)擊查看完整大小的圖片

圖 5. GreenPAK 設(shè)計 - 矩陣 0。（來源：瑞薩電子）

模擬 MUX 根據(jù)定義的時間間隔接收來自兩個不同輸出的信號。100 Hz 的脈沖發(fā)生器每 10 ms 發(fā)出一個脈沖。在前 10 ms 接收 x 信號，在接下來的 10 ms 接收 y 信號。

Pin8 和 Pin9 配置為連接到配置為模擬多路復(fù)用器的 PGA 的模擬輸入。來自 Pin16 的信號在其兩個通道之間切換。當(dāng)信號 CH Selector 設(shè)置為 HIGH 時，讀數(shù)來自 Pin8，當(dāng)設(shè)置為 LOW 時，讀數(shù)來自 Pin9。模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，從 FSM0 中讀取。FSM0 從 ADC 模塊的輸出（ADC 數(shù)據(jù)）獲取其輸入。FSM0 配置為下降沿 DLY。

延遲時間=（計數(shù)器值+1）/時鐘。

時鐘 = 256/2ms = 128kHz

FSM0 的 CLK 管腳通過 EXT CLK0 連接到 CNT5 輸出以獲得 128 kHz，因此當(dāng)從 ADC 接收到 255 的值時，輸出的脈沖寬度為 2 ms。因此，CNT5 的輸出周期為 7.8125 μs，CNT5 數(shù)據(jù)為 210。

2-L0 逆變器和 CNT6 定義了 100 Hz 發(fā)生器，它每 10 ms 發(fā)出一個脈沖，以便每 20 ms 向兩個伺服電機(jī)輸出 PWM 信號。發(fā)生器的輸出觸發(fā) CNT9，它被配置為下降沿 DLY，延遲時間為 0.5 ms。CNT9 輸出觸發(fā) FSM0 輸出一個寬度為 FSM 數(shù)據(jù) + 0.5 的信號，該信號將在 0.5 和 2.5 ms 之間。這通過 LUT 傳遞到合適的伺服系統(tǒng)。

CNT0 用于在每個工作周期提供 2.5 ms 的脈沖寬度，作為將信號輸出到伺服電機(jī)（每個依次）以防止任何錯誤的最大允許時間范圍。

DFF0、2-L1、3-L2 用于控制輸入通道，其中每 10 ms 在 PGA 的通道 1 和 2 之間進(jìn)行周期性切換。Pin6 外部連接到 Pin16，該 Pin16 鏈接到 PGA 的 CH 選擇器引腳。

4 位 LUT0、3 位 LUT0、3 位 LUT1 和 2-L2 構(gòu)成解復(fù)用器，將 PWM 信號傳遞給請求的伺服電機(jī)（圖 6）。

點(diǎn)擊查看完整大小的圖片

圖 6. LUT 配置。（來源：瑞薩電子）

當(dāng) CH Selector 信號為 HIGH 時，讀數(shù)來自通道 1 通過 Pin8，修改后的 PWM 信號通過 Pin4 傳遞到 x – 伺服電機(jī)。當(dāng) CH 選擇器設(shè)置為 LOW 時，讀數(shù)來自通道 2，信號傳遞到 Pin5，然后傳遞到 y - 伺服電機(jī)。

從周期開始經(jīng)過 2.5 ms 后，通道隨著 CNT0 輸出的下降沿而改變，以在下一個周期開始時輸出脈沖（參見圖 7）。這為信號讀取和穩(wěn)定性提供了充足的時間。

點(diǎn)擊查看完整大小的圖片

圖 7.時序圖。（來源：瑞薩電子）

為防止在信號較?。ㄐ∮?40 mV）時 ADC 出現(xiàn)任何錯誤，DCMP0 用于將 ADC 值與寄存器 0 進(jìn)行比較。如果值小于 9，角度將被視為 0°，輸出CNT9 將直接傳遞給請求的伺服電機(jī)。

操縱桿來自 GreenPAK 芯片內(nèi)部的 VREF0，因此操縱桿讀取的信號在 ADC 的工作范圍內(nèi)。VREF0 連接到 Pin19，其中源選擇器設(shè)置為 ACMP0，調(diào)整為 1200 mV。操縱桿包含一個可用于附加功能的按鈕。使用 CNT8 構(gòu)建去抖動器，改進(jìn)后的信號通過 Pin20 輸出。Pin12 配置為低壓數(shù)字輸入，因?yàn)椴倏v桿電壓為 1200 mV（圖 8）。

點(diǎn)擊查看完整大小的圖片

圖 8. GreenPAK 設(shè)計 – 矩陣 1。（來源：瑞薩電子）

為了測試設(shè)計，GreenPAK Designer 的信號向?qū)в糜趯⒉煌男盘枒?yīng)用于輸入（圖 9）并監(jiān)控輸出（圖 10）。

點(diǎn)擊查看完整大小的圖片

圖 9. 生成鋸齒波。（來源：瑞薩電子）

點(diǎn)擊查看完整大小的圖片

圖 10. Pin8（黃色）、Pin9（藍(lán)色）、Pin5（紅色）和 Pin6（綠色）。（來源：瑞薩電子）

以下視頻顯示了工作項(xiàng)目，也可在此處獲得。

結(jié)論

在本文中，我們使用 GreenPAK SLG46620 芯片構(gòu)建了一個電路，該電路使用兩個通過模擬操縱桿操作的伺服電機(jī)來控制兩個關(guān)節(jié) x 和 y 的機(jī)器人手臂。該芯片高效地將所有電路的重要元件集成在一個小空間內(nèi)。不需要外部微控制器，并且只需要很少的外部元件。

通過連接多個芯片，這種設(shè)計可以擴(kuò)展為構(gòu)建自由度更大的機(jī)器人手臂。這樣的系統(tǒng)可以應(yīng)用于許多不同的工業(yè)應(yīng)用。

審核編輯 黃昊宇